当前国际形势下,人类面临着形式多样的核生化威胁,核生化武器和核生化事故都可能给我们的生活带来致命的伤害。以洗消为代表的核生化防护任务也从军事目标向多样化和更大范围扩展。洗消装备的主要任务就是在核生化战争条件下,对受染的作战人员、武器装备等实施及时有效的洗消措施,以保障生存,维持作战,及时恢复部队人员和武器装备的战斗力;在发生重大核化事故、核生化恐怖活动及自然灾害情况下,能及时消除污染,保障群众生命安全。作为核生化条件下保障和救援的关键一环,洗消装备对防止污染扩散、减少沾染率和降低死亡率等方面起到至关重要的作用。洗消装备的作业能力和自动化水平对保障我国核生化防护安全具有重要作用,也是目前亟待解决的问题之一。针对核生化战场环境下坦克、车辆等装备的自动化快速洗消作业需求,要求洗消装备能够随时随地快速展开完成洗消作业任务,同时具有自动化作业和完成大批量洗消任务的能力。为此,本文对新型自动龙门式洗消机械臂结构设计、建模、轨迹控制及洗消作业先进控制方法进行了研究,主要开展了以下几部分的研究工作:1、设计一款全新的、能够适用于洗消作业的车载自动化洗消机械臂。基于核生化战场环境下车辆装备等大型目标物的自动化快速洗消作业需求,设计了符合车载越野和大尺寸精确洗消要求的新型自动龙门洗消机械臂,该机械臂具有五自由度串联机械臂和二自由度的终端执行结构,采用电液伺服形式驱动,结构合理,稳定可靠,为新型洗消装备的研制奠定基础。2、对设计的自动龙门洗消机械臂进行了机理分析和建模。首先采用D-H法建立自动龙门洗消机械臂的简易坐标关系和各自由度关节参数,使用MATLAB工具箱构建自动龙门洗消机械臂的正运动学模型,建立运动齐次矩阵并采用蒙特卡洛法获取并分析自动龙门洗消机械臂的工作空间,最后采用几何法和神经网络逆模型的方法分别建立了多自由度复合运动控制时逆运动模型。对其电液伺服驱动系统的特性进行分析,并以传递函数形式建立动态模型,通过仿真分析验证了动态模型的有效性。3、开展了基于预测控制方法的自动龙门洗消机械臂轨迹控制方法研究。根据已完成的自动龙门洗消机械臂硬件设计和电液伺服驱动联合模型,开发并应用新型串级预测控制算法,设计了基于预测控制的轨迹跟踪控制方法,输出一条优化的驱动电液伺服系统的参考轨迹,实现自动龙门洗消机械臂末端轨迹跟踪控制的需求。运动学仿真实验结果表明,建造的自动龙门洗消机械臂能按工作流程要求完成匀速直线运动,结合上装洗消药剂调制单元和搭载的终端分散管路,可满足坦克、卡车等大型武器装备的自动化快速洗消需求。4、设计并开发基于特殊块结构非线性Hammerstein模型的两步法非线性预测控制算法(NLHMPC)和基于神经网络的非线性预测控制算法(NNMPC)。根据洗消过程控制对象特点并结合Hammerstein模型,分别辨识了过程整体动态响应神经网络模型和静态非线性部分的神经网络逆模型,在此基础上建立了NNMPC整体控制策略和NLHMPC两步法控制策略。相比于PID控制方法,建立的两种基于神经网络的非线性预测控制策略均具有良好的设定值跟踪和抗干扰控制响应,是非线性过程系统的有效控制方法,能较好的解决洗消剂生产、洗消废水处理和化学毒剂洗消作业等过程中遇到的非线性控制难题。